Introducción

La palabra física proviene del vocablo griego physos, que significa naturaleza. Por lo tanto la Física es la ciencia que se ocupa de los componentes fundamentales del Universo, de las fuerzas que éstos ejercen entre sí y de los efectos de dichas fuerzas. La física está estrechamente relacionada con las demás ciencias naturales, y en cierto modo las engloba a todas. Incluso los sistemas vivos están constituidos por partículas fundamentales que siguen el mismo tipo de leyes que las partículas más sencillas estudiadas tradicionalmente por los físicos.

Desarrollo del tema

1. ¿Qué estudia la física?

La física estudia sistemáticamente los fenómenos naturales, tratando de encontrar las leyes básicas que los rigen. Utiliza las matemáticas como su lenguaje y combina estudios teóricos con experimentales para obtener las leyes correctas. La física busca las leyes fundamentales de la naturaleza. Las ramas de la física estudian el movimiento de los cuerpos, el comportamiento de la luz y de la radiación, el sonido, la electricidad y el magnetismo, la estructura interna de los átomos y núcleos atómicos, el comportamiento de los fluidos (líquidos y gases), y las propiedades de los materiales, entre otras cosas.

Todas las ciencias exactas o naturales cuentan con una serie de pilares básicos, en este caso, tratando particularmente de la física, los pilares correspondientes son:

• la mecánica clásica, cuyo propósito es estudiar las leyes que gobiernan el movimiento de los cuerpos;
• la electrodinámica clásica, dedicada al estudio de los fenómenos que involucran cargas electromagnéticas;
• la física cuántica, utilizada para describir el mundo macroscópico bajo la hipótesis de que están formados por cuerpos microscópicos cuyas leyes conocemos.

2. Leyes de la física

Las leyes de la física tienen un gran impacto en la declaración de hechos. Estas leyes se derivan y prueban a través de observaciones empíricas. Todo lo que prevalece a nuestro alrededor tiene alguna conexión con la Física.

Ley de Charles Coulomb

Charles Coulomb, el más grande físico francés en cuyo honor la unidad de carga eléctrica se denomina culombio, nació en Angoulême, Francia en 1736. Fue educado en la École du Génie en Mézieres y se graduó en 1761 como ingeniero militar con el grado de Primer Teniente.

Coulomb sirvió en las Indias Occidentales durante nueve años, donde supervisó la construcción de fortificaciones en la Martinica.

La Ley de Coulomb nos dice que la fuerza de atracción o repulsión de un cuerpo es directamente proporcional al producto de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, generando un campo eléctrico.

Es importante mecionar que una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. Posterior a que el físico francés enunció la ley que lleva su nombre, se introdujo el concepto de campo eléctrico para expresar este hecho, descrito como el efecto que produce en una zona del espacio la presencia de una carga eléctrica.

Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas puntuales es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esta ley es fundamental para la electrostática y la magnetostática ya que determina la fuerza con la que se atraen o se repelen dos cargas eléctricas ó 2 polos magnéticos. Esta fuerza es proporcional al producto de las dos cargas (ó de las 2 masas magnéticas) e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia.

La constante de proporcionalidad K depende del medio que rodea a las cargas.

• Si las dos cargas son del mismo signo (ambas son positivas o negativas) la fuerza tiende a separarlas (fuerza de repulsión).
• Si son de signo contrario (una positiva y otra negativa), la fuerza tiende a unirlas (atracción).

Ley de gravitación universal (Isaac Newton)

Isaac Newton nació en Inglaterra el 25 de diciembre de 1642 y es considerado uno de los mas grandes e importantes científicos de la historia. Aportó a varios campos de la ciencia, sirviendo de base a la mayor parte de avances científicos de la época. En 1666 desarrolló lo que hoy conocemos como cálculo, un método matemático muy novedoso. Sin embargo, hay algo que dejó una profunda huella en la historia de la física: los llamados principios o leyes de Newton, que profundizaremos a continuación.

La gravitación constituye otro caso extraordinario de ley universal. Isaac Newton elaboró la primera versión, seguida dos siglos y medio después por otra más exacta, la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

Se cuenta que Newton al ver caer una manzana desde un árbol, dedujo que la fuerza de gravedad que la atraía hacia la Tierra era la misma que mantenía a la Luna en órbita. Esta observación lo llevó a formular la Ley de gravitación universal en 1684. El físico británico, afirma que la atracción gravitatoria entre dos cuerpos es directamente proporcional al producto de las masas de ambos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. Según la fórmula de Newton, la fuerza de atracción gravitatoria entre dos cuerpos esféricos, cada uno con una masa de 1kg y ubicados a una distancia de 1 m, es de 6,67 x 10 -11 N. De esta manera se puede calcular la fuerza gravitatoria entre diversos objetos a diversas distancias.

Es decir que Newton estableció con la Ley de gravitación universal, que existe una fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos del universo. Además logró observar que la fuerza gravitatoria depende de la masa de los cuerpos y la distancia entre ellos. Para poder demostrar su teoría, midió las distancias desde el centro de los cuerpos esféricos

La traslación de la Luna alrededor de la Tierra equilibra la fuerza gravitatoria, tal como ocurre con los planetas y sus órbitas alrededor del Sol. La gravedad es la que hace que la Luna gire alrededor de la Tierra. Cuanto más cerca esté un planeta del Sol más fuerte será la atracción gravitatoria del Sol sobre él. La fuerza de la gravedad que experimenta un objeto no es la misma en todos los lugares de la superficie terrestre, principalmente debido a la rotación de la Tierra.

La gravedad suele medirse de acuerdo a la aceleración que proporciona a un objeto en la superficie de la Tierra. En el ecuador, la aceleración de la gravedad es de 9,7799 metros por segundo cada segundo, mientras que en los polos es superior a 9,83 metros por segundo cada segundo. El valor que suele aceptarse internacionalmente para la aceleración de la gravedad a la hora de hacer cálculos es de 9,80665 metros por segundo cada segundo. Por tanto, si no consideramos la resistencia del aire, un cuerpo que caiga libremente aumentará cada segundo su velocidad en 9,80665 metros por segundo. La ausencia aparente de gravedad durante los vuelos espaciales se conoce como gravedad cero o microgravedad.

¿Qué explica la ley de gravitación?

Newton contesta a la cuestión de cómo es la fuerza que mueve los planetas y que es lo que la crea.

1. como se mueven los planetas
2. con que tipo de movimiento
3. cómo es la fuerza que realiza ese movimiento
4. qué es lo que la crea

Con la formulación de las tres leyes del movimiento, Isaac Newton estableció las bases de la dinámica, a continuación se muestran las tres leyes de Newton:

La primera ley

Afirma que si la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre un objeto es cero, el objeto permanecerá en reposo o seguirá moviéndose a velocidad constante. El que la fuerza ejercida sobre un objeto sea cero no significa necesariamente que su velocidad sea cero. Si no está sometido a ninguna fuerza (incluido el rozamiento), un objeto en movimiento seguirá desplazándose a velocidad constante.

La segunda ley

Relaciona la fuerza total y la aceleración. Una fuerza neta ejercida sobre un objeto lo acelerará, es decir, cambiará su velocidad. La aceleración será proporcional a la magnitud de la fuerza total y tendrá la misma dirección y sentido que ésta.

Un objeto con más masa requerirá una fuerza mayor para una aceleración dada que uno con menos masa. Lo asombroso es que la masa, que mide la inercia de un objeto (su resistencia a cambiar la velocidad), también mide la atracción gravitacional que ejerce sobre otros objetos. Resulta sorprendente, y tiene consecuencias profundas, que la propiedad inercial y la propiedad gravitacional estén determinadas por una misma cosa. Este fenómeno supone que es imposible distinguir si un punto determinado está en un campo gravitatorio o en un sistema de referencia acelerado. Einstein hizo de esto una de las piedras angulares de su teoría general de la relatividad, que es la teoría de la gravitación actualmente aceptada.

La tercera ley

Es el principio de acción y reacción. Este postula que a cada acción corresponde una reacción igual y contraria. Es decir, si un cuerpo A ejerce una acción sobre un cuerpo B, el cuerpo B reacciona y ejerce una fuerza igual y contraria sobre el cuerpo A. Por ejemplo, en una pista de patinaje sobre hielo, si un adulto empuja suavemente a un niño, no sólo existe la fuerza que el adulto ejerce sobre el niño, sino que el niño ejerce una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el adulto. Sin embargo, como la masa del adulto es mayor, su aceleración será menor.

La tercera ley de Newton también implica la conservación del momento lineal, el producto de la masa por la velocidad. En un sistema aislado, sobre el que no actúan fuerzas externas, el momento debe ser constante. En el ejemplo del adulto y el niño en la pista de patinaje, sus velocidades iniciales son cero, por lo que el momento inicial del sistema es cero. Durante la interacción operan fuerzas internas entre el adulto y el niño, pero la suma de las fuerzas externas es cero. Por tanto, el momento del sistema tiene que seguir siendo nulo. Después de que el adulto empuje al niño, el producto de la masa grande y la velocidad pequeña del adulto debe ser igual al de la masa pequeña y la velocidad grande del niño. Los momentos respectivos son iguales en magnitud pero de sentido opuesto, por lo que su suma es cero.

Otra magnitud que se conserva es el momento angular o cinético. El momento angular de un objeto en rotación depende de su velocidad angular, su masa y su distancia al eje. Cuando un patinador da vueltas cada vez más rápido sobre el hielo, prácticamente sin rozamiento, el momento angular se conserva a pesar de que la velocidad aumenta. Al principio del giro, el patinador tiene los brazos extendidos. Parte de la masa del patinador tiene por tanto un radio de giro grande. Cuando el patinador baja los brazos, reduciendo su distancia del eje de rotación, la velocidad angular debe aumentar para mantener constante el momento angular.